中国航发黎明发动机试车厂 辽宁沈阳 110043
摘要：航空发动机作为飞机的心脏，可靠性水平直接关系到运行安全。本文探讨了基于状态信息的航空发动机运行可靠性。
关键词：状态信息；航空发动机；运行可靠性
航空发动机是飞机的“心脏”，可靠性直接影响飞机的运行安全，因此，对其可靠性要求越来越高，监测性能参数是了解航空发动机性能和可靠性的重要手段。
一、运行可靠性评估方法
1、状态信息获取与特征提取。航空发动机是一个由多个功能部件组成的完整机械系统。像人体系统的温度、血压等指标能反映出其的健康状态一样，发动机的温度、压力和转子转速等运行信息也能反映出运行状态的好坏。另外，航空发动机各功能部件可视为独立的机械结构，机械结构的动态响应信息可以表示结构的损伤状态。采集发动机的温度、压力和关键功能部件的动态响应信号，并利用监测信息分析了发动机整体和关键功能部件的可靠性。特征提取过程采用不同的统计方法对采集到的状态信息进行分析，提取出大量的统计特征，充分反映状态信息的本质属性，并利用统计特征建立状态特征矩阵。同时，为避免特征幅值的差异对评价结果的影响，需要对原始特征进行归一化处理。
2、子空间构造。根据所获取的状态信息可建立对应于发动机特定状态的状态特征矩阵。在正常状态与故障状态下，发动机的状态信息不同，这导致了两种状态下状态特征矩阵具有不同的数据结构，由状态特征矩阵张成的状态子空间具有一定的差异。
3、子空间主夹角。利用状态子空间构造方法分别构造正常状态子空间和待评估的当前状态子空间。
4、可靠度指标。为了实时评估航空发动机的可靠性，首先监测其正常运行时的状态信息，从而获得状态特征矩阵，称为正常状态特征矩阵；对于航空发动机当前运行状态，同样利用状态信息构造当前状态特征矩阵。然后再分解成正常状态特征矩阵和当前状态特征矩阵，构造状态子空间，分别称为正常状态子空间和当前状态子空间。最后按正常状态与当前状态子空间的内积矩阵，构造主夹角，并利用主夹角的余弦值定义可靠度指标。
二、试验验证
1、整机性能退化。航空发动机是一个复杂的机械系统，整机性能退化是引起发动机可靠性降低的一个主要因素。对某国航空航天局提供的航空发动机全寿命周期退化仿真数据进行分析，该仿真通过商用模块化航空推进器软件实施，改变燃料流速、压力等输入参数模拟风扇、高压透平、低压透平、高压压缩机和低压压缩机的故障和性能退化过程。改变飞行高度、马赫数等参数模拟不同的飞行状态。利用传感器记录发动机的21个运行信息，包括温度、压力和转速等。所模拟的性能衰减模式为指数衰减形式。为最大程度接近真实发动机退化过程，在仿真数据中加入了一定程度的噪声。
对其中3组航空发动机固定飞行状态数据进行分析，3个发动机的失效时间分别为525个试验周期（1#发动机）、253个试验周期（2#发动机）和205个试验周期（3#发动机）。利用压缩机出口温度、输出压力和风扇转速等状态信息评估发动机的可靠性。在每组试验数据中选前11个样本组成大小为7×ll的状态特征矩阵，该状态特征矩阵对应于发动机正常运行阶段。依次选取后11个样本构成同样大小的当前状态特征矩阵，利用KPCA算法构造对应于每个状态特征矩阵的状态子空间。在获得状态子空间后，计算正常状态与当前状态子空间基矢量的主夹角，进而计算当前状态的可靠度。
为达到最优的评估效果，利用交叉验证方法确定组合参数σ和ξ的取值。在本案例中σ＝2，ξ=85％时评估结果最优，可靠度变化趋势最明显。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆由3个航空发动机的可靠度变化可知，在发动机运行的初期阶段其可靠性接近l，随着运行时间的增加，发动机工作性能逐渐退化，可靠度呈近似指数函数的形式减小；当发动机失效时可靠度变为0，可靠度评估结果与发动机性能退化过程相一致，说明了所提出方法的有效性。
2、转子装配松动状态。转子系统是航空发动机中承受载荷、保证相对转动的关键功能部件，其状态性能的好坏对航空发动机运行状态将产生直接影响。转子系统的可靠性评估有利于维持飞机正常飞行、延长飞机使用寿命。影响转子系统运行状态的故障类型主要包括装配松动、裂纹和不对中等。本案例聚焦于常见的转子松动故障，分析装配松动对转子系统可靠度的影响，试验对象为某可拆卸盘鼓型航空发动机转子。
在转子的装配过程中，为保证良好的装配性能，利用双头螺栓将鼓筒和各级轮盘拉紧。然而，在服役过程中，受复杂工作状况的影响，高压压气机转子经常出现由于螺栓松动产生的装配质量退化现象。螺栓松动使转子系统刚度降低，影响其工作性能，是发动机可靠性降低的一个诱因。本案例中为模拟转子在运行过程中因装配松动产生的性能退化，人为设置了5种不同程度的松动故障，松动程度依次加深，对应于航空发动机不同的运行状态。为了评估转子系统的可靠度，首先利用激振器激励处于正常装配状态和5种松动状态的转子系统。并利用振动加速度传感器和数据采集设备采集转子8个通道的响应信号，采样频率为6.4 kHz。利用所提出的可靠性评估方法对振动信号进行分析，为了定量反映不同状态响应信号的模式变化，首先对响应信号进行统计分析，提取其时域特征、频域特征和小波域特征。共提取到16个时域特征和13个频域特征。
为计算响应信号的小波域特征，首先利用第二代小波包变换方法将原始信号分解到8个相互独立的频带中，计算每个频带信号的能量，并对频带能量归一化得到归一化能量。由此可知，第二代小波包能量散度反映出转子处于装配正常和装配松动两种状态时，响应信号能量分布的相似性。利用时域特征、频域特征和小波包能量散度构造状态特征矩阵，该状态特征矩阵包含了响应信号在时域、频域和时频域变化的全面信息。
对正常状态下采集到的20s数据和每种松动状态采集到的10s数据进行分析。把正常状态下采集到的信号分作两组，前10s数据作为正常状态信号，后10s数据和每种松动状态下所测得数据作为当前状态信号。将每组信号分为10段，分别提取每段信号8个通道的统计特征，组成大小为30×80的状态特征矩阵；利用KPCA算法构造状态特征矩阵的子空间，并计算子空间基矢量的主夹角，在本案例中参数的取值为σ=3.3，ξ=85%。选用该参数组合可知，处于正常状态0时转子系统的可靠度为0.99；处于松动状态1时，转子系统的可靠度为0.90，明显小于正常状态时的可靠度；在松动程度逐渐加深的过程中，转子系统可靠度下降趋势明显，可靠度的单调变化趋势与松动发展程度相一致。这说明，所提出的可靠度指标对转子系统可靠度的变化较为敏感，能有效反映转子系统可靠度的变化过程。
3、服役转子。本节对该型发动机服役后返厂维修前的可靠性进行分析。结合该型号发动机易发高压压气机转子故障的实际情况，分析其高压压气机转子的可靠性。对该航空发动机高压压气机转子进行脉冲激振测试，利用数据采集仪器获取其8个通道的振动响应信号，采样频率为12.8kHz。分别对在正常状态和服役后采集到的4s数据进行分析，计算其时域、频域特征和第二代小波包能量散度构成大小为30×32的状态特征矩阵，按其可靠度评估流程评估该转子的可靠度，参数σ和ξ的取值与上述相同。可靠度评估结果为0.70，说明该高压压气机转子在服役过程中性能发生退化，处于不健康状态，应及时采取分解检修。
三、结语
航空发动机是飞机的“心脏”，其状态性能决定了飞机的飞行状态。受高温、高压、变工况等恶劣工作环境的影响，航空发动机将不可避免地发生性能退化，其性能退化会降低整个飞机系统的可靠性和安全性，增加安全风险甚至导致重大事故的发生。
参考文献：
[1]丁锋.基于设备状态振动特征的比例故障率模型可靠性评估[J].机械工程学报，2014．
[2]孙闯.基于状态信息的航空发动机运行可靠性评估[J].宇航学报，2015.
论文作者:马达,李树会
论文发表刊物:《基层建设》2018年第19期
论文发表时间:2018/8/15
标签：状态论文; 转子论文; 特征论文; 矩阵论文; 可靠性论文; 发动机论文; 可靠论文; 《基层建设》2018年第19期论文;